Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

पृथ्वी की गहराइयों में, जहाँ कोयला निकाला जाता है, खदान के ऊपर की चट्टान एक निरंतर संघर्ष का सामना करती है। जब कोयले की एक परत को हटा दिया जाता है, तो भारी चट्टानी परतों को, जो कभी उस पर टिकी हुई थीं, अब स्थिर होने का एक नया तरीका खोजना पड़ता है। कई खदानों में, ये ऊपरी परतें मोटी, कठोर चट्टानों से बनी होती हैं जो आसानी से टूटने से इनकार कर देती हैं। खाली स्थान में ढहने के बजाय, यह कठोर छत लटकी हुई रहती है, जैसे कि एक भारी छत जो गिरने से मना कर रही हो। समय के साथ, इस लटकी हुई चट्टान का भार उन संकीर्ण सुरंगों पर दबाव डालता है जो उपकरणों और लोगों के आवागमन के लिए छोड़ी गई हैं। यह दबाव सुरंग की दीवारों को अंदर की ओर दबा देता है और फर्श को ऊपर की ओर उभार देता है, जिससे रास्ता कुचलने और परिचालन रुकने का खतरा पैदा हो जाता है। इंजीनियरों ने लंबे समय से इस दबाव को प्रबंधित करने के तरीके खोजे हैं, अक्सर सुरंग को सुदृढ़ करके या चट्टान को खतरा बनने से पहले तोड़ने की कोशिश करके। चुनौती यह जानने में निहित है कि कौन सी चट्टान की परत सबसे अधिक परेशानी पैदा कर रही है और उसे सुरक्षित रूप से तोड़ने के लिए बल कहाँ लगाया जाए।

चीन की लिमिन कोयला खदान में, शोधकर्ताओं को इस समस्या के एक जटिल संस्करण का सामना करना पड़ा। खदान में एक नए हिस्से से कोयला निकाला जा रहा था जो पहले से ही खनन किए जा चुके क्षेत्र के बगल में था। इसने सक्रिय सुरंग और खाली स्थान के बीच एक संकीर्ण कोयला पट्टी छोड़ दी, जो एक 'गॉब-साइड एंट्री' (gob-side entry) के रूप में जानी जाती है। इस सुरंग के ऊपर, चट्टान की परतें एकसमान नहीं थीं; वे कई कठोर परतों से बनी थीं, जिनमें से कुछ मोटी और कुछ पतली थीं, जो एक के ऊपर एक जमी हुई थीं। इंजीनियरों को यह निर्धारित करने की आवश्यकता थी कि कौन सी परतें सबसे अधिक भार वहन कर रही हैं और सुरंग को विकृत कर रही हैं। उन्हें यह भी पता लगाना था कि चट्टान को अचानक, खतरनाक रूप से ढहने से बचाते हुए उसे कमजोर करने के लिए छेद कहाँ ड्रिल किए जाने चाहिए। इसे हल करने के लिए, लियाओनिंग तकनीकी विश्वविद्यालय की एक टीम ने पानी के दबाव का उपयोग करके चट्टान को नियंत्रित, चरणबद्ध तरीके से तोड़ने की एक योजना बनाई, और अपने सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए इसे क्षेत्र में लागू किया कि क्या यह जमीन के दबाव को शांत कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने खदान के ऊपर की चट्टान की परतों का विश्लेषण करना शुरू किया, और उन्हें एक एकल, मोटी बीम के रूप में माना जो भार वितरित करती है। उन्होंने भार के वितरण को समझने के लिए विभिन्न परतों के बीच भार के बंटवारे की गणना की ताकि तीन सबसे महत्वपूर्ण परतों की पहचान की जा सके। उनके विश्लेषण ने संकेत दिया कि कोयले के ठीक ऊपर मोटे बलुआ पत्थर (sandstone) की एक परत, ऊपर की ओर सिल्टस्टोन (siltstone) की एक परत, और उससे भी ऊपर एक अन्य मोटी बलुआ पत्थर की परत थी। ये तीन परतें मुख्य अपराधी थीं जो ऊपर के पहाड़ का भार थामे हुए थीं। हालाँकि, टीम ने महसूस किया कि ये परतें सभी एक ही स्थान पर दबाव नहीं डालती हैं। निचली परतें सुरंग के ठीक बगल में अपना भार केंद्रित करती थीं, जबकि तीनों में से सबसे ऊँची परत अपना भार थोड़ा दूर, पुराने खदान के खाली स्थान की ओर धकेलती थी। इस अंतर का अर्थ था कि एक एकल दृष्टिकोण काम नहीं करेगा; उन्हें एक ऐसी रणनीति की आवश्यकता थी जो एक साथ विभिन्न ऊंचाइयों और विभिन्न क्षैतिज स्थितियों को लक्षित कर सके।

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने खदान और आसपास की चट्टान का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने कोयले के निष्कर्षण और चट्टान की परतों की गति का मॉडल बनाया ताकि यह देखा जा सके कि विभिन्न क्षेत्रों में तनाव कैसे बनता है। सिमुलेशन ने उनके संदेह की पुष्टि की: निचली परतों के लिए तनाव के शिखर वास्तव में सुरंग के ठीक बगल में थे, जबकि उच्चतम लक्षित परत के लिए शिखर पुराने खदान की ओर स्थानांतरित हो गया था। इस अंतर्दृष्टि ने उन्हें एक विशिष्ट ड्रिलिंग पैटर्न डिजाइन करने की अनुमति दी। उन्होंने सुरंग के दोनों ओर दो प्रकार के छेद करने का निर्णय लिया: निचली चट्टान की परत के लिए छोटे छेद और ऊपरी परतों तक पहुँचने वाले लंबे छेद। इन छेदों को क्रमबद्ध करके और उन्हें खंडों में उपचारित करके, वे सटीक और चरण-दर-चरण तरीके से चट्टान को कमजोर कर सकते थे। योजना में ठोस चट्टान की दीवार और संकीर्ण कोयला स्तंभ में छेद करना, और फिर उच्च दबाव वाले पानी का उपयोग करके अलग-अलग खंडों में चट्टान को तोड़ना शामिल था, जो छेद के निचले हिस्से से शुरू होकर ऊपर की ओर बढ़ता था।

टीम ने इस योजना को सुरंग के 100 मीटर के हिस्से में लागू किया, जिसमें कुल छत्तीस छेद किए गए। उन्होंने प्रत्येक छेद के छोटे हिस्सों को सील करने के लिए एक विशेष उपकरण का उपयोग किया और चट्टान में दरारें पैदा करने के लिए उच्च दबाव पर पानी इंजेक्ट किया। यह प्रक्रिया प्रत्येक छेद के हर खंड के लिए दोहराई गई, यह सुनिश्चित करते हुए कि पूरी लंबाई में चट्टान कमजोर हो जाए। काम करते समय, उन्होंने निगरानी के लिए सेंसर का एक नेटवर्क स्थापित किया। उन्होंने उपकरण लगाए जो यह माप सकें कि सुरंग की दीवारें कितनी हिल रही हैं, छत को थामने वाले हाइड्रोलिक सपोर्ट पर दबाव की निगरानी की, और चट्टान के टूटने की सूक्ष्म आवाजों को सुना। उन्होंने इस उपचारित खंड की तुलना सुरंग के एक उपचार रहित खंड से की जिसे पहले खनन किया गया था, जिससे वे देख सकें कि वाटर फ्रैक्चरिंग (पानी से दरार पैदा करने की प्रक्रिया) ने क्या अंतर किया।

परिणाम चौंकाने वाले थे। उपचार रहित खंड में, खनन कार्य के करीब आने पर सुरंग की दीवारें और फर्श काफी हिल गए, जिससे छत और फर्श लगभग 225 मिलीमीटर तक दब गए। कोयला स्तंभ की ओर वाली सुरंग की दीवार 180 मिलीमीटर अंदर की ओर खिसक गई, और ठोस चट्टान वाली दिशा 125 मिलीमीटर खिसक गई। जिस खंड में पानी से चट्टान को तोड़ा गया था, वहां हलचल नाटकीय रूप से कम हो गई। छत और फर्श केवल लगभग 22 मिलीमीटर हिले, कोयला स्तंभ की ओर वाला हिस्सा 18 मिलीमीटर और ठोस चट्टान की ओर वाला हिस्सा केवल 12 मिलीमीटर हिला। हाइड्रोलिक सपोर्ट, जो छत का भार वहन करते हैं, ने भी स्पष्ट सुधार दिखाया। उपचार रहित क्षेत्र में, सपोर्ट पर औसत बल 9,725 किलोन्यूटन था, लेकिन उपचारित खंड में, यह घटकर 8,943 किलोन्यूटन हो गया, जो लगभग आठ प्रतिशत की कमी है।

टीम ने चट्टान की आवाजों को भी सुना। उपचार रहित खंड में, सेंसरों ने कई उच्च-ऊर्जा घटनाओं को रिकॉर्ड किया, जो चट्टान के बड़े, अचानक टूटने का संकेत देते थे जो खतरनाक हो सकते हैं। उपचारित खंड में, गतिविधि बहुत शांत थी। सेंसरों ने केवल निम्न-ऊर्जा घटनाओं का पता लगाया, जो छोटी और बार-बार होने वाली दरारें थीं जो ऊर्जा को धीरे-धीरे मुक्त करती थीं, और कोई भी बड़ी, उच्च-ऊर्जा वाली टूट-फूट दर्ज नहीं की गई। शोधकर्ताओं ने उपचार के बाद छेदों के अंदर भी देखा और पाया कि चट्टान वास्तव में इच्छित अनुसार टूट गई थी। हालांकि डेटा ने दिखाया कि वाटर फ्रैक्चरिंग ने विरूपण और भार को सफलतापूर्वक कम किया, टीम ने नोट किया कि तुलना पूर्ण नहीं थी क्योंकि दोनों खंडों का खनन अलग-अलग समय पर और थोड़ी अलग परिस्थितियों में किया गया था। वे उपचार के प्रभाव को अन्य सभी चरों से पूरी तरह अलग नहीं कर सके, लेकिन समग्र रुझान स्पष्ट था। जमीनी प्रतिक्रिया उनके डिजाइन लक्ष्यों के अनुरूप थी: चट्टान कम हिली, सपोर्ट ने कम भार उठाया, और खतरनाक, उच्च-ऊर्जा वाली टूट-फूट समाप्त हो गई।

यह अध्ययन दर्शाता है कि खदान के ऊपर की चट्टान की विशिष्ट परतों को समझकर और उन्हें एक अनुकूलित ड्रिलिंग रणनीति के साथ लक्षित करके, इंजीनियर भूमिगत सुरंगों की सुरक्षा और स्थिरता में काफी सुधार कर सकते हैं। विभिन्न चट्टान परतों को संबोधित करने के लिए लंबे और छोटे छेदों का उपयोग करने का दृष्टिकोण प्रभावी सिद्ध हुआ। हालांकि शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि उपचार के प्रभावों को अन्य कारकों से पूरी तरह अलग करने के लिए अधिक डेटा की आवश्यकता होगी, लेकिन हलचल और भार में कमी पर्याप्त थी। यह कार्य उन अन्य खदानों के लिए एक व्यावहारिक संदर्भ प्रदान करता है जो कठोर, लटकती हुई छतों जैसी समान चुनौतियों का सामना कर रही हैं, यह दिखाते हुए कि सावधानीपूर्वक योजना और सटीक निष्पादन एक खतरनाक भूवैज्ञानिक स्थिति को एक प्रबंधनीय स्थिति में बदल सकता है।